Effet de serre
et changement climatique
Jean-Yves Grandpeix (& Jean-Louis Dufresne) CNRS / IPSL / LMD
grandpeix@lmd.jussieu.fr
Cette presentation : http://www.lmd.jussieu.fr/~jyg/sft_2011_jyg.ppt [Divers textes de JL Dufresne : http://www.lmd.jussieu.fr/~jldufres]
•Océans = 2/3 surface terrestre
•Bande intertropicale : 23S-23N
•Aire de la bande intertropicale = moitié de la surface terrestre.
C'est là que les activités humaines deviennent commensurables avec l'évolution planétaire.
Plan
• Physique du climat : les pionniers
• Physique de l'effet de serre
• Les autres perturbations radiatives (ou forçages)
• Modélisation du climat et estimation des changements climatiques
• Conclusions
Physique du climat
19e - début 20e siècle:
J. Fourier:
● A donné un cadre pour l'analyse des phénomènes physiques régissant la température moyenne de surface des planètes
● A identifié le rôle fondamental du Soleil et de l'effet de serre S. Arrhenius:
● Premier calcul de la température moyenne de la Terre
● Hypothèse de variations passées et éventuellement future de la concentration atmosphérique de CO2
➔Critique: la Terre « régule » la concentration de CO2
● Calcul de la variation de température due à une variation de CO2
➔Critique: la variation de CO2 ne change pas l'absorption du rayonnement infrarouge par l'atmosphère
A partir des années 1960:
● Rayonnement infra-rouge mieux connu
● On observe un accroissement de la concentration de CO2
● Premier calcul « moderne » de l'accroissement de température en réponse à un accroissement de CO2
● Développement des modèles de climat
● Documentation des variations passées du climat, des paléoclimats
Les perturbations anthropiques: une observation récente
Année
Concentration en CO2 (ppmv)
Source: GIEC 2001
Plan
• Physique du climat : les pionniers
• Physique de l'effet de serre
• Les autres perturbations radiatives (ou forçages)
• Modélisation du climat et estimation des changements climatiques
• Projections pour le futur
• Conclusions
Rayonnement électromagnétique:
• Transporte de l'énergie dans le vide et dans les matériaux
• Caractérisé par un flux d'énergie
transportée (on parle aussi d'intensité du rayonnement) et par une longueur d'onde (ou un spectre de longueur d'onde)
• Description quantique: flux de
photons, l'énergie de chaque photon dépendant de la longueur d'onde
Rayonnement électromagnétique
Rayonnement émis et absorbé
Tout corps perd de l'énergie en émettant un rayonnement dont l'intensité et le spectre dépendent de la température absolue T.
• Intensité du rayonnement:
P=ε σ T4 P: puissance (W.m-2) T: température (K)
σ: constante de Stefan-Boltzmann (5,67.10-8 W.m-2.K-4)
ε: émissivité du matériaux (0≤ε≤1).
ex: T= 300K (27°C) , ε=1 => P ≈ 460 W.m-2 T= 273K (0°C) , ε=1 => P ≈ 315 W.m-2
Émissivité = absorptivité, pour chaque longueur d'onde
ε=1 pour les matériaux parfaitement absorbant
ε=0 pour les matériaux parfaitement transparent
Émission de rayonnement: transformation d'énergie thermique (chimique, électrique...) en énergie radiative
Absorption de rayonnement: transformation d'énergie radiative en énergie thermique (chimique, électrique...). Par ex: plaque noire au soleil.
Énergie émise (fonction de Planck) en fonction de la longueur d'onde (ou spectre d'émission), pour différentes températures:
• 6000°C (soleil)
• 2200°C (lampe à filament)
• 700°C (lave de volcan)
• 30°C (temp. ambiante)
Spectre d'émission
Longueur d'onde (µm) 6000°C
2200°C
700°C
30°C
6000°C
2200°C
700°C 30°C
Longueur d'onde (µm)
Spectres d'émission Spectres d'émission normalisés par la valeur maximum
Energie émise
Température d'équilibre de la Terre
Émission de rayonnement infrarouge
4.π R2 σ Te4
Absorption du
rayonnement solaire (1-A) π.R2.F0
Équilibre énergétique:
puissance du rayonnement émis = puissance du rayonnement absorbé 4 π R2 σ Te4 = (1-A) π R2 F0
σ Te4 = ¼ (1-A) F0Avec Te: Température d'équilibre radiatif A : albédo planétaire
F0: Flux solaire à l'extérieur de l'atmosphère =1364 W/m2
σ : constante de Stefan-Boltzmann Émission du
corps noir Surface de la
Terre
Flux solaire à l'extérieur de l'atmosphère
Coefficient d'absorption Section de la Terre
Flux solaire absorbé ≈ 0.175 F0 ≈ 1/6 Flux solaire incident
Température d'équilibre de la Terre (2)
La valeur moyenne actuelle du globe est 0,3, ce qui correspond à une température de 255 °K (soit -18°C).
La température de surface plus élevée (environ 15°C) est due à l'effet de serre.
Albédo (c.-à-d. pourcentage de rayonnement solaire réfléchi) de différents type de surface
Neige fraîche 75 à 95%
Surface de la mer 2 à 7 % Sol sombre 5 à 15%
Cultures 15 à 25%
La valeur moyenne actuelle de l'albédo de la Terre est 30%, notamment du fait de la présence de nuages.
Température d'équilibre radiatif de la Terre pour diverses valeurs de l'albédo.
Température d’équilibre d’une plaque au soleil est atteinte lorsqu’elle perd autant d’énergie par émission de rayonnement infrarouge qu’elle en gagne par absorption de rayonnement solaire.
isolant
1 1
plaque
Effet de serre à une vitre idéalisée
isolant
Vitre
1 1 1
1
1
plaque
Effet de serre à une vitre idéalisée
On place une vitre, parfaitement transparente au
rayonnement solaire et totalement opaque au rayonnement infra-rouge au dessus de la plaque
F
s➢Dans un modèle de serre à une couche, isotherme (utilisé par S. Arrhenius), la température de surface dépend directement de l'émissivité de la couche.
➢Nous allons montrer que ce modèle n'est pas adapté aux milieux très absorbants, lorsque l'absorption est « saturée »
Couche isotherme (vitre, atmosphère):
•rayonnement solaire: parfaitement transparente
•rayonnement infrarouge:
émissivité=absorptivité=εa réflectivité=0 Surface: parfaitement absorbante pour les
rayonnements solaire et infra-rouge On a alors:
D'où:
Ts4=Fs
Fs=F0FS.a/2 FS1−a FS.a/2
FS.a/2
F
0 Ts4= F0 1−a/2
Effet de serre à une couche
Ta4=Fs.a/2
Effet de « saturation »
Absorption de l'atmosphère moyennée
sur le domaine infra-rouge en fonction du CO2, pour différentes valeurs de H20
Absorption monochromatique de l'atmosphère due au seul CO2, en fonction de
la longueur d'onde, pour différentes concentrations de CO2
Concentration de CO2 (ppm)
Absorption moyenne Absorption monochromatique
Longueur d'onde (μm)
Altitude d'émission
Z
altitude
∂ vz
∂m =vBvTexp−v.Mz
Densité du flux radiatif
échangé entre un volume de gaz à l'altitude z et l'espace:
avec:
M(z): masse d'atmosphère entre z et l'espace
kv: coefficient d'absorption par unité de masse
Bv(T): fonction de Planck
flux émis transmissivité
Altitude d'émission
Z
altitude
Ze
Z
altitude
Ze
Zone « aveugle »
Altitude d'émission
altitudeZ
Ze
Z
Zone
« aveugle »
altitudeZ Ze
Z
Zone
« aveugle »
Configuration de référence Doublement de la quantité d'absorbant
Rayonnement solaire net Rayonnement solaire net FFss
FFirir= FFss
température T
altitude
Z
Effet de serre dans une atmosphère stratifiée.
Rayonnement IR sortant FFirir
FFss
FFirir
a)
dT/dz fixé par convection
Ze Ze: altitude d’émission vers l’espace
FFs s Rayonnement solaire netRayonnement solaire net
FFirir= FFss
FFss
température T
altitude
Z
FFirirRayonnement IR sortant
FFirir
FFss
FFirir
FFss
FFirir
FFirir< FFss FFirir= FFss
température T température T
Z Z
a) b) c)
Z1
Z2 Z2
GES (CO2) augmente, Ze augmente, Te diminue:
Rayonnement sortant plus faible.
T(z) augmente:
Retour à l’équilibre dT/dz fixé
par convection
Effet de serre dans une atmosphère stratifiée.
Pour une atmosphère stratifiée, il faut considérer les flux au sommet de l'atmosphère, et non les flux en surface
(premiers calculs fin des années 1960)
Rayonnement solaire net Rayonnement solaire net FFss
FFirir= FFss
FFss
température T
altitude
Z
Rayonnement IR sortant FFirir
FFirir
FFss
FFirir
FFss
FFirir
FFirir< FFss FFirir= FFss
température T température T
Z Z
a) b) c)
Z1
Z2 Z2
Effet de serre dans une atmosphère stratifiée.
L'absorption du rayonnement infrarouge par le CO
2Absorption de l'atmosphère moyennée sur
le domaine infra-rouge en fonction du CO2, pour différentes valeurs de H20
Variation de l'effet de serre pour une atmosphère “standard”, en fonction de la
concentration de CO2
Concentration de CO2 (ppm)
Absorption moyenne Forçage radiatif (W.m-2 )
Concentration de CO2 (ppm)
Même si l'absorption moyenne de l'atmosphère n'augmente pas
lorsque le CO2 augmente, l'effet de serre augmente car l'atmosphère est stratifiée en température
Effet de serre:
Vapeur d'eau 60%
CO2 26%
Ozone 8%
N2O+CH4 6%
Contribution à l'effet de serre
H 2O CO2 O3 N 2O+CH 4
H2O CO2
L'effet de serre sur Terre
O3
CH4 N2O
AbsorptionAbsorptionÉmission
λ(μm)
λ(μm)
λ(μm)
Absorption de l'atmosphère moyennée
sur le domaine infra-rouge en fonction du contenu en H20
Absorption monochromatique de l'atmosphère pour différentes concentrations
de H20, et pour CO2
Quantité intégrée de H2O (kg.m-2)
Absorption moyenne Absorption monochromatique
Longueur d'onde (μm)
L'absorption du rayonnement infrarouge par H
2O
Température
d'émission Température de surface
Rayonnement reçu par l'espace
Fenêtre atmosphérique
Absorption
H2O Absorption CO2 Température
Altitude
Analyse de l'effet de serre sur Terre
Rayonnement émis par la surface
Température
d'émission Température de surface
Rayonnement reçu par l'espace
Fenêtre atmosphérique
Absorption
H2O Absorption CO2 Température
Altitude
Analyse de l'effet de serre sur Terre
H2O+20% CO2x2
Rayonnement émis par la surface
Rayonnement émis par la terre et l'atmosphère
Spectre infra-rouge observé par satellite (méditerranée)
mW.m-2 .sr-1 .(cm-1 )-1
Spectre d'absorption de l'atmopshère
nombre d'onde (cm-1)
Profil verticaux de température
O3
CH4
25 15 12 10 8 (µm)
25 15 12 10 8 longueur d'onde (µm)
nombre d'onde (cm-1)
Flux sortant
©EUMETSAT
Canal vapeur d’eau de Météosat (infrarouge)
Canal visible de Météosat
Flux infra-rouge sortant Sommet de l'atmosphère
Flux = σ T
4T émission
Décomposition des contributions respectives des absorbants et des domaines spectraux
S: rayonnement solaire L: rayonnement IR
La stratosphère:
• chauffage radiatif absorption ray. Solaire par O3 et O2
• refroidissement radiatif emission IR par CO2 et H2O
Refroidissement de la stratosphère quand la concentration de CO
2augmente
ε≈ρCO2kCO2dz <<1 dz
εσTE4 εσTSTRATO4
εσTSTRATO4
SO3 A l’équilibre:
SO3+ εσTE4 = 2εσTSTRATO4
Donc 14
03 4
2
+
= σ
ε σ E
STRATO
S T T
Si la concentration de CO2 augmente, alors ε≈ρCO2kCO2dz, augmente.
En supposant :
∙ que la concentration d’ozone reste constante,
∙ que l’albédo planétaire reste constant (donc TE aussi) alors TSTRATO diminue.
La stratosphère est en équilibre radiatif pur où l’absorption des ondes courtes (principalement due à l’ozone) est compensée par l’émission ondes longues vers l’espace et vers la troposphère (principalement due au CO2).
Source GIEC 2007
TOUT O3 GES
L’ozone refroidit la basse stratosphère aux hautes latitudes
Les GES refroidissent la stratosphère globalement
Moyenne zonale de la différence 1999-1980 en °/siècle
Solar Volcans
Sulphate aerosols
Variation de température de la stratosphère
Stratosphère Surface
La surface se réchauffe
Mais
La stratosphère se refroidit
Température en altitude
Les contributions à l'effet de serre
Contributions à l'accroissement de l'effet dus aux activités humaines:
•CO2 56%
•CFCs 12%
•méthane (CH4) 16%
• ozone (O3) 11%
•N2O 5%
Effet de serre du aux activité humaine
CO2 CFCs CH4 N2O
CO2 03
CFCs O3
CH4 Effet de serre (W.m-2):
Vapeur d'eau 75 60%
CO2 32 26%
ozone 10 8%
N2O+CH4 8 6%
Contribution à l'effet de serre
H 2O CO2 O3 N 2O+CH 4
H2O CO2
O3
CH4 N2O
N2O
Source: GIEC 2007
• Dans les serres horticoles, le réchauffement est principalement dû à la limitation des échanges par évaporation et convection
• Sur Terre les échanges entre la surface et l'atmosphère sont également dominés par l'évaporation-condensation, mais ce sont les échanges par rayonnement infrarouge qui contrôlent le refroidissement vers 'espace
[Trenberth et al., BAMS, 2009]
L'effet de serre: un phénomène physique réel... mais
mal nommé
Plan
• Physique du climat : les pionniers
• Physique de l'effet de serre
• Les autres perturbations radiatives (ou forçages)
• Modélisation du climat et estimation des changements climatiques
• Projections pour le futur
• Conclusions
Aérosols anthropiques
Source: Kaufman et al. 2002, Bréon et al. 2002
Les aérosols :
Réfléchissent le rayonnement solaire
Modifient la taille des gouttes des nuages
Modifient la formation des précipitations ?
Aérosols anthropiques
Effet radiatif des aérosols sulfatés (direct et indirect)
Mais aussi carbone suie, poussières minérales...
(W/m2)
Source: GIEC 2001
Irradiance solaire
Source: GIEC 2007
Les différents facteurs externes
ayant affecté le climat au cours du 20eme siècle
S'ajoutent au "forçage"
solaire de référence (240 W/m2)
Évolution des forçages depuis 150 ans
Les aérosols masquent aujourd'hui 1/3 à ½ de l'effet de serre additionnel, et leurs effets sont incertains.
Source: GIEC 2007
Forçage solaire
Forçage solaire xx 6 : 0.7 W.m 6 : 0.7 W.m-2-2 [0.04 à 1.8] [0.04 à 1.8]
Plan
• Physique du climat : les pionniers
• Physique de l'effet de serre
• Les autres perturbations radiatives (ou forçages)
• Modélisation du climat et estimation des changements climatiques
• Projections pour le futur
• Conclusions
Pourquoi des modèles climatiques?
Quelle complexité?
Toute quantification, analyse de données, extrapolation, projection...
repose sur une abstraction, une modélisation et des simplifications.
La théorie de l'effet de serre est simple... si le climat ne change pas.
Par exemple, accroissement de température dû à une doublement de CO2:
• si l'humidité absolue de l'atmosphère reste constante: 1.2°C
• si l'humidité relative de l'atmosphère reste constante: ≃2.5°C En quoi les différentes perturbations diffèrent ou pas? Quelles
hypothèses sont cohérentes avec les observations?...
Pourquoi des modèles climatiques?
Quelle complexité?
Les modèles numériques de climats:
• sont basés sur des équations physiques, avec un certains nombres d'approximation
• ne sont pas des outils d'extrapolation d'observations existantes
• sont des outils permettant de réaliser des simulations numériques, avec différents états initiaux, différentes conditions aux limites,
différentes hypothèses, différentes valeurs de paramètres...
• sont des outils permettant d'éprouver différentes hypothèses: les observations sont-elles compatibles avec les résultats des
simulations, basés sur des hypothèses différentes?
19 vert.
levels
30 vert.
levels
Modèle climatique de l'IPSL
Atmosphère et surf. continentale (LMDZ - ORCHIDEE)
Océan et glace de mer (ORCA-LIM) coupleur
(OASIS)
Résolution:
Atm: 3.75°x2.5° (~350 km) Oce: 2°x2°
Comment «tourne» un modèle?
● On part d'un état initial, et on effectue une simulation avec des conditions aux limites (des forçages) fixes ou variables avec le temps
Méthode:
● Réalisation de simulations numériques avec différentes conditions aux limites (différents forçages) ou différentes conditions initiales
● Analyses statistiques des résultats de simulations
● Les résultats de simulations ne sont pas directement comparable, en
fonction du temps, aux observations. La comparaison avec les mesures ne peut être que statistiques.
Les perturbations du climat
Source: GIEC, 2001
anthropiques
naturelles
L'homme a-t-il déjà changé le climat ?
Anomalie de température de la surface de la Terre observée et calculée en prenant en compte uniquement les perturbations naturelles (éruptions volcaniques, activité solaire...)
Anomalie de température de la surface de la Terre observée et calculée en prenant en compte les perturbations naturelles et les perturbations dues aux activités humaines (accroissement observé de la quantité de gaz à effet de serre et des aérosols)
Source: GIEC 2007
• Le climat peut varier en réponse à des “forçages”
(perturbations extérieures)
• Forçages naturels
• Forçages anthropiques
• Le climat varie, même sans perturbations extérieures (variabilité interne)
Variations et variabilité du climat
L'homme a-t-il déjà changé le climat ?
Source: GIEC 2007
Noir: observations; bleu: forçages naturels; magenta: forçages anthropiques+naturels
Plan
• Physique du climat : les pionniers
• Physique de l'effet de serre
• Les autres perturbations radiatives (ou forçages)
• Modélisation du climat et estimation des changements climatiques
• Projections pour le futur
• Conclusions
Emissions et concentrations de CO2:
utilisation de scénarios
Source: GIEC 2001
Amplitude des variations de la température globale
GIEC, 2007
GIEC, 2007
800 1000 1200 1400 1600 2000 2100
1800
Amplitude des variations de la température globale
Vision globale du changement climatique :
bilan radiatif terrestre et retroactions
Type de rétroaction
Force de rétroaction
Incertitudes liées aux différentes rétroactions
• La rétroaction la plus forte est celle liée à la vapeur d'eau.
• Depuis le précédent rapport du GIEC, il y a convergence des modèles sur les rétroactions liées à la vapeur d'eau et à la neige (même si une dispersion non négligeable demeure).
• En revanche, il n'y a aucune convergence concernant
la rétroaction nuageuse = principale cause d'incertitude.
nuages albedo
Vapeur
d'eau totale
∆NET CRF
∆Ts ∆SW CRF
∆Ts ∆LW CRF
∆Ts
(Webb et al., Clim. Dyn., 2005)
Cloud Feedback Intercomparison Project (CFMIP) 2xCO2 experiments; 8 GCMs; slab ocean
Taux de variation du forcage radiatif des nuages (W/m2/K)
multi-model mean inter-model differences (standard deviation) multi-model mean
Importances des rétroactions
Effet direct de l'augmentation du CO2
Effet d'inertie thermique de l'océan Rétroaction de la vapeur d'eau
Rétroaction de la cryosphère Rétroaction des nuages
Réchauffement global pour un doublement de CO2
(Dufresne & Bony 2008)
multi-model mean inter-model differences (standard deviation) multi-model mean
(Dufresne & Bony 2008)
Importances des rétroactions
Moyenne des modèles Dispersion entre les modèles
Rétroaction des nuages
Projection pour l'an 2100
Changement des températures pour le scénario A2
Source: CNRM et IPSL, 2006
Projection pour l'an 2100
Changement de précipitations pour le scénario A2
Source: CNRM et IPSL, 2006
La circulation de Hadley
Haute pression en surface
(anticyclone) Basse pression
en surface
Projection pour l'an 2100
Changement de précipitations pour le scénario A2
Source: CNRM et IPSL, 2006
Source: GIEC 2007
Climat 21
eExtension minimale de la glace de mer (été)
IPSL
CNRM
1960-1989 2070-2099;
B1
2070-2099;A2
[Dufresne et al., 2006]
2003
Observations CNRM
IPSL Scénario SRES-A2
Dufresne et al., 2006
Evolution de la température moyenne en été en France de 1860 à 2100
Que représentent des changements de température de
quelques degrés?
Observations CNRM
IPSL
Température estivale, moyennée sur la France, pour deux scénarios
Observations CNRM
IPSL
SRES-A2
SRES-B1
2003
2003
Dufresne et al., 2006
Conclusions
• Physique du climat: née il y a plus de 150 ans, s'est fortement développée depuis 50 ans et est maintenant une véritable discipline scientifique
• Le climat varie en réponse à des forçages externes (naturels ou anthropiques) ou du fait de sa variabilité propre (variabilité interne)
• Les forçages radiatifs associés à l'accroissement des gaz à effet de
serre repose sur la physique solide, est bien compris, et mise à l'épreuve tous les jours (télédétection, astrophysique...)
• Depuis 50 ans, le forçage radiatif dû à l'accroissement des gaz à effet de serre est nettement plus élevé que les forçages naturels
• Si les émissions de gaz à effet de serre continuent de croître,
l'amplitude des forçages continuera de croître, contrairement aux
forçages naturels
Conclusions
• On estime que les variations de température (de surface, de l'océan, de la basse et de la haute atmosphère) observées depuis quelques dizaines d'années ne peuvent pas être expliquées sans prendre en compte les perturbations
anthropiques
• A forçage radiatif donné, l'incertitude des estimations des variations de
température provient essentiellement des phénomènes de rétroactions internes au système climatique
• L'état actuel des connaissances scientifiques permet d'alerter d'un risque de réchauffement très significatif et très rapide au regard des variations de
températures des derniers milliers d'année
• Un changement de température globale de quelques degrés s'accompagne de changements climatiques majeurs (pluies, extrêmes...)
• L'estimation de l'amplitude de ce réchauffement et des changements
climatiques associés demeurent des sujets de recherches importants, mais dire que le climat ne changera ne repose pas sur des bases scientifiques